Карта Вселенной. Главные идеи, которые объясняют устройство космоса

Предисловие

Карта космоса за последние 100 лет претерпела существенные изменения. В 1914 г. наша Галактика Млечный Путь представлялась целой Вселенной – маленькой, статичной, одинокой. Космологические исследования в те времена все еще опирались на классические принципы гравитации, разработанные в XVII в. Современная физика и триумфальные шаги общей теории относительности (ОТО) полностью изменили представление человечества о пространстве и времени. Сегодня мы знаем, что Вселенная динамична, темпы ее расширения только ускоряются, в то время как таинственные ключевые компоненты – темную материю и темную энергию – увидеть пока не удается. Остальная материя, из которой состоят звезды и само человечество, представлена в виде таблицы Менделеева, но это всего лишь 4 % от всей массы Вселенной. Мы удостоверились в существовании планет на орбитах других звезд. Мы подозреваем наличие других Вселенных. Все это говорит о невероятном научном прогрессе.

Из всех научных дисциплин космология, вероятно, оказала наиболее существенное влияние не только на нашу концепцию Вселенной, но и на наше понимание своего места в ней. Потребность в поиске собственной точки опоры и попытки объяснить природные явления уходят своими корнями в первобытные времена. Мы находим удивительное сходство в древних мифах о сотворении мира, которые помогали людям придать смысл изменчивым и суровым природным явлениям. Сверхъестественные объяснения пробуждают веру в невидимую и все же куда более могущественную реальность. Кроме того, они в значительной степени базируются на нашем ощущении чуда в мире природы. Изобретательное человеческое воображение позволяло древним цивилизациям представлять силы, которые напрямую не присутствовали в мире, но воспринимались как вполне реальные.

Возьмем, к примеру, Энки, шумерского бога воды, гнев которого мог стать причиной наводнений. Или Индру – бога дождя и грозы в индуизме. Радуга, вытянувшаяся на небе, служила ему луком, молнии – стрелами. Самые сильные мифы – это мифы, которые требуют большой доли воображения и в то же время помогают нам почувствовать опору под ногами.

Я выросла в Индии и всегда ощущала потребность найти свое место в мире. Энциклопедия «Британника» стала моим первым путеводителем. 32 тома 15-й редакции, помещавшиеся на книжных полках моих родителей, стали для меня воплощением всех знаний человечества того времени. Словно заколдованная, я погружалась в древние атласы, карты, которые вели путешественников к новым открытиям, и карты звездного неба. Я была очарована звездами. Мои собственные картографическое изыскания позволили мне впервые ощутить на собственном опыте, что такое научное исследование. Занявшись программированием на компьютере Commodore 64, для национальной газеты я написала программу, с помощью которой можно было составлять ежемесячные карты звездного неба над Дели. С той поры я была захвачена открытиями и исследованиями. Во времена учебы в бакалавриате Массачусетского технологического института (MIT) я изучала физику, математику и философию. Затем любопытство привело меня в магистратуру MIT на программу «Наука, технологии и общество», после чего я отправилась за океан в докторантуру по астрофизике в Кембриджском университете. Я стала ученым и продолжаю постигать новые знания, связанные с историей и философией науки, чтобы лучше узнать, как совершаются научные открытия и формируются наши знания. По сути, в основе моей работы как астрофизика-теоретика, связанной с составлением карты темной материи и исследованием процесса формирования черных дыр, лежит ощущение чуда и стремление раскрыть тайны Вселенной – чувство, похожее на то, что испытывали люди древности. Меня все еще увлекает изучение карт, которые помогают нам ориентироваться, – все то, что впервые возбудило мой интерес, когда я была ребенком и жила в Дели. Я исследую отклонение света, идущего из отдаленных галактик, гравитационное линзирование, чтобы определить местоположение темной материи, которая является причиной таких отклонений. Я также исследую формирование и рост черных дыр, самых удивительных и загадочных объектов во Вселенной. В настоящее время участвую в одном из самых крупных и новаторских проектов картографирования Вселенной, когда-либо предпринимаемых человечеством, – программе Hubble Frontier Fields. Цель проекта – глубже проникнуть в отдаленные уголки Вселенной и более точно, чем когда-либо, отметить местоположение темной материи. В период с 2014 по 2017 г. камеры на борту космического телескопа «Хаббл» расходовали значительную долю времени на данный проект. Конечно, я лишь одна из многих исследователей, использующих эти уникальные наблюдения и отдающих свои силы работе по созданию масштабной карты Вселенной. Впереди нас ждет множество новых удивительных открытий. Мы, как и поколения наших предшественников-ученых, можем столкнуться с необходимостью полностью пересмотреть нынешний статус-кво.

Существует немало книг, посвященных истории космологических открытий, однако в данной работе я поставила цель по-иному взглянуть на процесс развития научных идей, то, как их оспаривали и в конце концов принимали. Чтобы следить за развитием событий, не обязательно быть астрофизиком. Примеры из области космологии, которые я привожу в работе, предназначены для иллюстрирования гораздо более обширных тенденций в сфере научных исследований и открытий. В частности, я прослеживаю развитие радикальных научных идей, которые постоянно меняли карту космоса. Эволюция идеи, возникающей из мрака, получающей популярность, а затем и всеобщее признание, кажется мне крайне захватывающей. В космологии создание и уточнение карт часто отражает данный процесс, выходя за рамки картографии. Тектонические сдвиги в понимании мира в прошлом веке потребовали пересмотреть привычные «карты знаний». Но утверждение новых идей не происходит в одно мгновение, оно всегда становится предметом дебатов. По мере оспаривания учеными господствующих представлений о Вселенной наше мировоззрение и символическая карта продолжали непрерывно меняться, требуя от нас адаптироваться и быть готовыми к изменениям.

Это история необычайного полета фантазии, появления радикальных идей, подпитываемых новыми открытиями. Процесс принятия идеи раскрывает различные стороны как всей науки, так и отдельных ученых – эмоциональные, психологические, личные и социальные, выходящие за рамки чисто интеллектуального стремления к знаниям. Это видение противоречит популярной точке зрения, что наука состоит лишь из исследований с целью получения фактических данных об устройстве мира. Дело в том, что наукой занимаются люди и она строится из переплетения субъективных мнений.

Споры и разногласия в научном сообществе являются неотъемлемой его частью, и мы заостряем на них внимание именно потому, что они демонстрируют, как новые идеи борются за право на существование. Именно поэтому мне интересно, почему возникают споры в сообществе космологов и как разрешаются. Эти споры не прекращаются, поскольку свойственны самой природе научных поисков. Научный ум совершенствуется и приобретает гибкость в процессе дискуссий, которая ежедневно подвергается проверке и позволяет ученым преодолевать потрясения от новых открытий, подвергающих сомнению основы знаний. Я показываю, как космологи справляются с этими переменами и уточняют свои «карты знаний», творчески используя энергию любознательности.

Это мощное слияние новых идей и новых технологий, меняющее наше знание о космосе. Возьмем, например, изобретение спектрографа, который раскладывает свет на составные части, позволяя дистанционно изучать химический состав далеких звезд; мощные телескопы и чувствительные камеры, обладающие невероятно высоким разрешением; или компьютеры, способные хранить и обрабатывать огромные массивы данных – все это породило новые идеи и позволило ученым их подтвердить или опровергнуть.

В последние несколько десятилетий исследователи проникли еще дальше вглубь пространства и времени, используя сложные детекторы и спутники. Мы описали реликтовое излучение, исследование которого приближает нас к моменту творения – Большому взрыву. На нашем собственном «заднем дворе» мы обнаружили тысячи планет, вращающихся вокруг звезд за пределами Солнечной системы. Тем не менее осталось много тайн.

С древних времен мы наслаждаемся величием ночного неба, состоящего из тысяч неподвижных точек света – звезд, восходивших и заходивших в одно и то же время. Однако в 1718 г. британский астроном Эдмунд Галлей, второй по значимости астроном Королевства Великобритании, обнаружил, что координаты звезд постепенно меняются. Например, звезды Сириус, Арктур и Альдебаран сместились далеко от тех мест, которые описаны древнегреческим астрономом Гиппархом около 2000 лет назад. По-видимому, «неподвижные» звезды блуждали.

Такие неожиданные, дезориентирующие открытия распространены в космологии, и нынешнее понимание расширяющейся с ускорением Вселенной аналогично перевернуло наши привычные представления. Все началось в 1543 г., когда Николай Коперник переместил ось вращения мира с Земли на Солнце, вокруг которого мы «с тех пор» обращаемся. Теперь общеизвестно, что речь идет о Солнечной системе, но в то время считалось, что Солнце – центр Вселенной. Открытие движения звезд привело к еще большим изменениям нашего понимания Вселенной. В 1920-х гг. были открыты другие галактики, что говорило о том, что Млечный Путь – всего лишь одно скопление звезд среди многих, а затем было доказано, что Вселенная расширяется, и астроном Эдвин Хаббл подступил к изучению происхождения и эволюции Вселенной. Сегодня у нас есть изображения нескольких миллионов галактик и данные о них, многие из которых настолько далеки, что их свет, который мы видим, возник, когда Вселенная находилась в зачаточном состоянии, то есть в возрасте миллиарда лет при нынешних 13,8 млрд. Эти открытия являются частью более обширной истории о том, как мы пришли к некоторым из самых замечательных идей в космологии за последние 100 лет и как эти идеи получили развитие. Человеческий фактор науки, изобилующий личным соперничеством, столкновениями амбиций и поиском славы, тормозил или же, наоборот, продвигал многие открытия. Человеческое стремление к безопасности и сохранение статус-кво вступают в действие, когда мы сталкиваемся с драматическими изменениями. Эта инстинктивная инертная реакция на новые радикальные идеи препятствует принятию перемен в нашем глубоко укоренившемся мировоззрении. Ученые не освобождаются от этого и часто сопротивляются новому, пока не примут убедительные доказательства.

Понятие Вселенной как часового механизма, управляемого универсальными законами, такими как законы Ньютона, были быстро приняты, потому что картина такого мира давала ощущение стабильной и неизменной Вселенной. Даже революционная гелиоцентрическая система мира Коперника, поначалу воспринятая в штыки, в конце концов прижилась, поскольку сохраняла понятия неподвижной Вселенной, просто ее центр переместился от нас к Солнцу.

Революционные космологические открытия XX и XXI вв. – расширяющаяся Вселенная, темная материя, черные дыры, модель Большого взрыва, многочисленные экзопланеты – перевернули наше представление о Вселенной. Она предстала перед нами как нечто постоянно меняющееся, где мы одновременно уникальны и в то же время ничтожны в грандиозном мире.

В этой книге я прослежу развитие космологических идей из концепций к закономерностям, подчеркивая их неожиданные повороты и отмечая мощное преобразующее воздействие на эволюцию нашего мировоззрения. Этот тектонический сдвиг понимания Вселенной как неподвижной и статичной структуры к структуре постоянно меняющейся требует постоянного преобразования нашего видения космоса. Новые открытия в космологии лишают нас точки опоры и часто вызывают дискомфорт даже у самих открывателей. Наблюдение за постепенной эволюцией ученых, появление у них способности принимать новые идеи и перестраивать карты знаний не только показывают, как работает наука, но и дают представление о том, что становится катализатором изменения мировоззрения. Преображающее влияние науки как объективного метода познания окружающего мира раскрывает эмоции и страсти, захватывающие ученых. По своей сути внутренняя природа этого познания лучше всего иллюстрируется тем фактом, что научный прогресс, сопровождаемый внезапными озарениями, приводит к непредвиденным и изначально непостижимым последствиям. Я раскрываю этот сложный, волнующий процесс в свете меняющейся практики науки. Мы вступили в эпоху большой науки, которой предоставляются огромные инвестиции человеческого интеллектуального капитала и других ресурсов, а также работа с крупными командами и опыт многих технических квалифицированных исследователей. Этот сдвиг в масштабах исследовательских усилий ученых затронул и работы, связанные с космологией.

Например, широкомасштабный проект «Слоуновский цифровой небесный обзор» (Sloan Digital Sky Survey), целью которого было составить подробные трехмерные карты трети всего неба, опирался на команду из нескольких сотен ученых из более чем 40 научно-исследовательских институтов по всему миру. Хотя научные исследования в космологии не так масштабны, как в экспериментальной физике частиц, где задействованы тысячи ученых, астрономия стала свидетельницей резкого увеличения рабочих групп, которые каких-то 30 лет назад состояли из 2–3 человек. По мере развития космологии, требующей использования все более сложных инструментов и технологий, требуется больше ресурсов. Драматические изменения в способах исследования и сложность новых инструментов породили новые междисциплинарные области науки, такие как, например, астрофизика частиц, находящаяся на стыке астрофизики и физики частиц. Эта трансформация масштаба и культуры науки привела к исчезновению образа ученого как чудака с неопрятной шевелюрой. Сегодняшняя большая наука имеет огромный потенциал для ускорения исследований и получения результатов, а также самый разнообразный характер вопросов, которые ученые могут задавать и исследовать.

В наше время происходят эпохальные события в науке, и важно понимать, как она работает. Я считаю, что более точное представление о том, как ученые проводят исследования и совершают открытия, даст более глубокое понимание природы самой науки. Статистика сообщает, что большая часть населения не в состоянии понять суть современных научных исследований и с подозрением относится к работе ученых. Сложный процесс самоидентификации, а не аргументация формирует доверие. Психология человека играет важную роль в принятии изменений. Наше отношение к изменениям глубоко связано с нашим самоощущением. В быстро меняющемся мире, где с головокружительной скоростью развиваются наука и технологии, мы пытаемся обрести ощущение стабильности, поскольку она придает смысл нашей жизни. Многие недавние публичные дискуссии отвергли научные выводы, как и «голую теорию», будто некий недостаток. Но красота науки заключается в том, что, хотя теория всегда условна, она предоставляет лучшие доказательства и объяснения для текущего момента. Несмотря на то что в науке по мере появления новых данных некоторые теории периодически пересматриваются, она основана на воспроизводимых доказательствах, которые дают научную оценку гипотезам.

Понимание силы и условного характера научного мышления – вызов нашего времени, и на последующих страницах я предлагаю взглянуть на мир с позиции космологии – сложной и условной стороны астрономии. Мы увидим, как выдающиеся ученые неоднократно боролись за принятие радикальных новых идей и в конце концов им это удавалось. Надеюсь, книга поможет вам понять (или подтвердить свое понимание), что, хотя наука как человеческое стремление не является абсолютно объективной, она по-прежнему предлагает лучшие рецепты для получения доказательств и познания нашего мира. Наука сама корректирует свои отклонения в ту или иную сторону. Она – лучший для нас способ ориентироваться в этой чудесной Вселенной и понимать ее. На протяжении веков именно наука помогала нам составлять чертеж взаимосвязей естественного мира. И как любая хорошая карта, он указывает, куда двигаться.